OR-30-84.pdf (1.074Mb)

NILU OR 30/84

RESEPTORHDDELLER ANVENDT PA HOSE Jan Schaug

.ENERGI DATA TRAFIKK

BIDRAG TIL MENNESKE OG MILJØ LRT

ANDRE

Miljøforskning under Nordisk Ministerråd

MIL4

Relative bidrag av forurensninger til menneske

og miljø fra forskjellige kilder.

NILU OR 30/84 REFERANSE: 0-8359

DATO SEPTEMBER 1984

RESEPTORHODELLER ANVENDT PA HOSE Jan Schaug

NORSK INSTITUTT FOR LUFTFORSKNING POSTBOKS 130, 2001 LILLESTRØM

NORGE

ISBN 82-7247-498-0

3

SAMMENDRAG

Datamaterialet består av 490 prøver av bladmose,

Hy1ocomium

splendens som er analysert på 26 kjemiske elementer. Mose- prøvene er årsskudd som ble samlet inn i hele Norge i løpet av sommeren 1977.

Resultatene fra beregninger med en hovedkomponent modell viste at de kjemiske elementene ble gruppert i en rekke faktorer som kunne identifiseres som kilder og kildegrupper av ulike slag. Tolkningen av resultatene ble vanskeliggjort av ulik retensjon (tilbakeholdelse) av de kjemiske elementene i mosen.

Faktor scores var meget nyttige i tolkningen av resultatene.

Manglende kvantitativ informasjon til retensjonen av de for- skjellige sporelementer, og andre usikkerhetsmomenter gjør datamaterialet lite egnet til kvantitative beregninger. Det er imidlertid utført et estimat av kildebidrag til en prøve fra Birkeland i Aust-Agder. Resultatet viste en god sammenheng mellom prediktert og målte konsentrasjoner.

INNHOLDSFORTEGNELSE

Side

2

3

SAMMENDRAG INNLEDNING

BEREGNINGSMODELLENE .

2. 1 Hovedkomponent-analysen .

2.2 Oen kjemiske massebalansemodellen .

RESULT ATER .

3 . 1 Hovedkomponent-analysen

4 5

3.2 Beregninger med den kjemiske massebalanse

modellen .

KONKLUSJON .

REFERANSER

3 5 5 5 6 8 8

1 4 16 1 7

RESEPTORHODELLER ANVENDT PA HOSE

INNLEDNING

Prøver av bladmose, Hylocomium Splendens. ble samlet inn fra 490 forskjellige steder i Norge i løpet av

Etter innsamlingen som ble foretatt av Steinnes, ble prøvene analysert, hovedsakelig med nøytron-

sommeren aktiveringsanalyse

1977.

( 1 ) • slik at konsentrasjonene av 26 kjemiske elementer ble bestemt.

Ved innsamlingen av moseprøvene ble bare siste årskudd inn- samlet, og resultatene representerer derfor opptaket av kjemiske elementer fra nedbøren i tidsrommet sommeren 1976 til sommeren 1977.

Datamaterialet er i det følgende behandlet med to beregnings- metoder. Disse er hovedkomponent analyse (principal compo- nent analysis) som brukes til å finne kilder for de kjemiske elementene, og massebalanse beregninger som kan brukes til _a

.

bestemme kildenes størrelse. De beregningene som er utført med hovedkomponent analyse er en del av en mer omfattende under- søkelse.

2 BEREGNINGSMODELLENE 2.1 Hovedkomponent-analysen

En hovedkomponent-analyse er nær beslektet med faktoranalyse, men det gjøres ingen antagelser om antall faktorer før be- regningene starter. I analysen vil en søke etter den liniære kombinasjon av de kjemiske elementene som kan forklare mest av variansen i materialet. Denne kombinasjonen defineres som første hovedkomponent eller første faktor. Etter å ha fjernet effekten av første faktor på datamaterialet defineres annen faktor som den linære kombinasjon av de variable som forklarer mest av den resterende variansen. En vil fortsette på samme måte og får etter hvert like mange faktorer som kjemiske

elementer.

Beregningene er her løst som et egenverdiproblem hvor en har beregnet egenverdiene til de kjemiske elementenes korrela- sjonsmatrise. Det kan vises at det til hver egenverdi finnes en faktor, og at egenverdien er faktorens forklarte varians.

Faktoranalyse og hovedkomponent analyse er f.eks. beskrevet av Malinowski og Howery (2).

Modellen som brukes defineres slik:

N [

i=1

Her er Cjk målingen av kjemisk element nr. j på prøvested nr. k.

Ved å skalere dataene kan A,. bli korrelasjonen mellom faktor J ^l.

i og kjemisk element j. A .. kalles gjerne for faktor lad- J ^l.

ning ("factor loadings").

Pik er sammenhengen mellom faktor i og prøvested k og kalles for faktor "score". Et høyt score for en faktor betyr at ved- kommende faktor er viktig på målestedet.

Summeringen foretas over alle 26 faktorer, og antall faktorer er N.

Det _ma

.

_{foretas en fysisk tolkning av faktorene etter}

beregningene hvor en prøver å identifisere faktorene som kilder for utslipp av de kjemiske komponentene.

2.2 Den kjemiske massebalansemodellen

En beregning etter denne modellen foretas på enkeltprøver i motsetning til foregående beregningsmåte som foretas på hele datasettet.

Resultatet av beregningen med denne modellen vil være være kildenes bidrag til forurensningene i et målepunkt og usik-

kerheten i dette

partikulære forurensninger. Ofte brukes såvel

fraksjonen i beregningene og en har en veldefinert måleperiode f.eks. 24 timer.

Representativiteten definert enn

mosedata,

rensninger

av høyere

transport er

av

resultatet. Metoden

til moseprøver aerosolprøver.

partikler

vegetasjon.

festes

Bak

elementer med

Hvis modellen

luftens er

er meget grov

aerosoler.

nedbør få støvpartikler til å sprette opp fra marken

brukt som fin-

vesentlig dårligere skal brukes utgangsbetingelsene svært forskjellig og mindre gunstige for estimering av kildenes relative betydning.

som transporteres ned til mosen, må komme med ned- børen i det aerosoler og gasser i stor grad vil bli fanget opp resultatene ligger derfor tran- sporten av elementer med nedbøren pluss en dårligere definert Videre kan til mosen. Kontaminering av moseprøver kan derfor forekomme. Under hovedkomponent analysen ble 24

minerte

datamaterialet.

Bruken av moseprøver

videre at en kan korrigere for kjemiske

er gjort av Hanssen, Rambæk, Semb og

7

på

på Foru-

elementer

prøver identifisert

elementene

som f.eks

forskjellig retensjon Steinnes ( 1 ) .

slik at konta- og fjernet fra det opprinnelige

i kvantitative beregninger forutsetter av de i mosen. En vurdering av retensjonstider Enkelte antimon har en lav retensjon mens andre elementer som f.eks. mangan og sink ser ut til å bli anriket i mosen. Hovedkomponent-analysen viste at elementer som klor og natrium fra sjøvann ikke oppfører seg som andre sjøsaltkompo- nenter

region

i mosen. Det er mulig at retensjonen av et element er avhengig av pH i nedbøren og derfor vil variere fra region til i landet (Steinnes (3)). Det er dermed adskillig usik- kerhet heftet også til retensjonen, og de resultatene en opp- når ved en kvantitativ beregning må vurderes i lys av alle disse usikkerhetsmomentene.

Konsentrasjonene av et element j på et sted k som inngår i be- regningene, c·jk' kan uttrykkes ved hjelp av målt

sjon Cjk og en retensjon Rj uttrykket i prosent:

konsentra-

Modellen som brukes kan uttrykkes:

C' jk =

M [ j=1

Her er sammensetningen av kildene betegnet

av element j inneholdt i kilde 1. Konsentrasjonene i mosen er her i ppm og kildebidraget s₁ har samme enhet.

United States Environmental Protection Agency (EPA) utgir en serie om reseptormodeller og volum II i serien behandler den kjemiske massebalanse modellen (4).

3 RESULTATER

3.1 Hovedkomponent-analysen

Hovedkomponent-analysen utføres som en egenverdiberegning, en beregning av faktor ladningene ("factor loadings") og en be- regning av faktor

grupper som hver

scores

F. Fjl er prosent

En fysisk tolkning må følge den tekniske beregningen slik at en finner de kilder eller kilde-

faktor representerer.

faktor forårsaker er uttrykt ved variansen, egenverdiene til kovarians-matrisen.

Oen variasjon hver og variansen er

Tabell viser hvor mye av variansen hver enkelt faktor for- klarer og hvor mange prosent dette utgjør av den totale varians samt kummulativ prosent forklart varians. De fem fak- torene som forklarer mest av variansen,

tabellen.

er tatt med i

Tabell 1. Varians forklart av de fem viktigste kildene.

Faktor Varians (egenverdi) _X Kum. X

1 8.87 34. 1 34. 1

2 3.53 13. 6 4 7. 7

3 2.65 10. 2 57. 9

4 1. 74 6.7 64.6

5 1. 10 4. 2 68.8

Når såvel faktorenes (kildenes) scores som de kjemiske ele- mentenes konsentrasjoner er i standard tilstand, er faktor ladningene korrelasjonene mellom kilde og kjemisk komponent.

Tabell 2 viser faktor ladningene for de samme kildene som i tabell 1.

Tabell 2: Faktorladningene for de fem viktigste kildene.

Kilde 1 2 3 4 5

Element

Na 0.83

Cl

V ( -0. 45)

Al 0.86

Mn

I -0.89

Pb -0.83 Zn -0.91 Cu

Cd -0.90

Ni -0.90

Mo (-0. 48)

Br -0.83

Sb -0.83 As -0.82 La

Sm ( 0. 48) Th

Se -0.58 -0.51

Cr

Ag (-0.49)

Cs 0.94

Sc 0.90

Rb 0.63

Fe 0. 74

Co -0.85

Faktor scores kan være svært nyttige for å lette tolkningen av faktorresultatene.

presentert i figur

Scores for 1 . Figur

den første faktoren er kan sammenlignes med be- lastningen av sulfat i nedbør i Norge som er vist i figur 2

( 5) . Oen høye belastningen av sulfat i nedbør i Sør-Norge

skyldes langtransporterte luftforurensninger, og faktor 1 som har høyt score i dette området er også langtransporterte luft-

1 0

,..--J

'

,,_

I I I I I

\ I I I I I

,,

I I

'

I I I I I I

'

' '

, ,-J

I

\

\ I

'

^I

'

^I

I

-1

0-1·

\

I

,

I

I

' '

^I

'

-1

Figur 1: Scores for første faktor. Elementer: Pb, Zn, Cd, Sb, As, Se.

I

< I

1.0

,,

,J

\

\

\

l ) J

\

}

I

C

)

"

_\

\ I I

\ J

..

. 0

/ / .

F=""""c:::møc::::::lO:!:O~=z=-==:i:2~00km

.... .Q

N

t

Figur 2: Sulfatnedfall med nedbøren i 1976. Enhet: g

soi-im

2, korrigert for sjøsalt.

-1

.,

<)

o" J}J ^v

<1 /)

0 0

-1

'

^I I ,., -3 ,

,

^{\ ,}

,-. \ , ' I

, '... ,I

~---'

I I

,-

I I I

,

I

\ I I I I

I

,,

I I

I I I I I I

...

'

^I

, ,-J

I

~

\ I I I

I

'

I

\

I I

,

I

'

^I _I

I I I .I

I I

I .I

Figur 3: Scores for fjerde faktor. Elementer: Ni, Co.

13

forurensninger. Høyest score finnes imidlertid i Sørfjorden på Vestlandet hvor en har produksjon av sink og andre tungmetal- ler. Kildene bak faktor 1 er følgelig såvel langtransporterte luftforurensninger som lokale utslipp av elementene i faktor 1. De kjemiske komponentene som er samlet i faktor 1, er som vist i tabell 2 bly, sink, kadmium, molybden, antimon, arsen og selen. Tre elementer vanadium, molybden og sølv er også svakt korrelert med denne faktoren.

Den andre faktoren har elementene natrium, aluminium, scandium og jern. Også

Høy ste scores

samarium er for denne

svakt korrelert med denne faktoren.

faktoren er fordelt mer jevnt på landsbasis og kilden bak disse elementene er jordstøv.

Scores for den tredje

elementene som er godt korrelert er jod, brom og selen. Scores og elementene

finnes i høyere

viser

faktoren

at kilden er sjøvann. Natrium og klorid konsentrasjoner

er høyest langs kysten, og

i sjøvann enn noen andre elementer, men opptaket av disse elementer i mosen fra sjøvann så lavt at de ikke kommer sammen med de andre sjøvann- elementene i analysen. Natrium er bare medlem i faktor 1, jordstøv, og klor er eneste medlem i faktor 11 som ikke er tatt med her. Selen som har langtransporterte forurensninger som kilde (faktor 1) har også sjøvann som kilde.

Faktor fire er liksom faktor 1 av antropogent opphav. De høy- este scores finner en lengst nordøst i landet, og de kjemiske elementene som er med er nikkel og kobolt. Kildene til disse forurensningene er den metallurgiske industrien på sovjetisk side av grensen. I tillegg finnes enkelte høye scores andre steder i Norge.

Den femte faktoren som er den siste som er kommentert, her inneholder bare elementene rubidium og cesium som er meget like kjemisk. Også disse elementene uttrykker jordstøv.

1 4

3.2 Beregninger med den kjemiske massebalanse modellen

Oen kjemiske massebalanse modellen har først og fremst vært brukt på aerosoler for å finne kilders eller kildegruppers bidrag til aerosolkonsentrasjonene i et resepterpunkt. Mose- prøven som samles, er vanligvis siste års skudd og metall- innholdet i

tilførsel.

som finnes, vil derfor representere siste års

Tabell 3 viser konsentrasjoner av seks elementer som er målt i Birkeland i Aust-Agder, retensjonene i prosent (Steinnes

og konsentrasjonene korrigert for forskjellig retensjon.

( 4 ) )

Tabell 3: Konsentrasjoner i Hylocomium splendens i Birkeland, Aust-Agder. Retensjoner og korrigerte konsentra- sjoner.

Element C R

c·

ppm 1. ppm

As 1. 6 32 5.0

Cd 1.0 65 1 . 54

Cr 3. 8 84 4.52

Pb 89.0 100 89.0

Se 1. 21 46 2.63

V 10.9 54 20.2

Beregningene er foretatt på de seks elementene som er med i tabell 3. I kildene er den prosentvise sammensetning basert på disse seks elementene og sink, nikkel og kobolt i tillegg.

Sammensetningen av kildene som er tatt med i beregningene er vist i tabell 4.

15

Tabell 4: Relativt innhold av ni sporelementer i forskjellige kildegrupper.

Tungolje Kull Biltraf. Søppelfr. Cu/Ni-ind.

As 0 . 11 4. 2 0 0. 16 26.4

Cd 0.04 0.28 0 1. 22 3.6

Co 0.62 4.2 0 0.06 0

Cr 0.07 11 . 2 0 0.77 0

Ni 22.7 11. 2 0 0. 14 0

Pb 1. 42 14. 0 98.5 11. 7 55.0

Se 0. 14 1. 68 0 0.46 0

V 73.8 25.2 0 0.28 0

Zn 1. 13 28.0 1. 5 85.3 15. 0

Sammensetningen av de to første kildene er hentet fra pro- sjektet "Kolets hålso- och milj6effekter

sammensetningen fra

( 6 ) • de to siste Pacyna (7). Sammensetningen av utslippet fra biltrafikk er hentet fra Kowalczyk et. al. (8). Under be- regningene ble det lagt inn en usikkerhet i sammensetningene til de tre første kildene på 20 Z for hver komponent.

setningene og mengde av forurensninger fra søppelforbrenning og industri vil være avhengig av mange faktorer.

Sammen- Tallene for søppelforbrenning som er brukt her må antas å representere en midlere sammensetning ved forbrenning av fast søppel og kloakkslam. Tallene for industriutslipp må også antas å være en midlere sammensetning for forskjellig type virksomhet. I disse kildene er det regnet med en usikkerhet på 50

Z

for hvert kjemisk element.

Alle elementer er tillagt like stor vekt i beregningene.

Usikkerhetene i moseresultatene ble anslått til 10

z.

Resultatet av beregningene er presentert i tabellene 5 og 6.

Beregningene gir en god overenstemmelse mellom observerte (korrigerte) konsentrasjoner, og predikterte konsentrasjoner som vist i tabell 5. Samtlige elementer unntatt selen er prediktert innenfor 1 5 av det målte. I hovedkomponent analysen fant en et marint bidrag for selen, og dette og eventuelle andre kilder mangler i disse beregningene.

1 6

Tabell 5. Observerte og predikterte konsentrasjoner i mose.

Konsentrasjon, ppm

Element Forhold

Observert Prediktert

As 5.00 4.79 0.96

Cd 1. 54 1. 69 1. 10 Cr 4.52 5.20 1 . 15

Pb 89.0 89.0 1.00

Se 2.63 1. 13 0.43

V 20.2 20.3 1.01

I tabell 6 finner en kildenes bidrag til forurensningen av ni elementer i mosen. Elementene er foruten de seks som er med i beregningene, sink, nikkel og kobolt.

Resultatene viser at de to største kildene er biltrafikk og søppelforbrenning. Disse resultatene må tas med forbehold og ses i lys av alle de mulige feilkildene som det er pekt på.

Tabell 6: Kildebidragene til sporelementer i mose i Birkeland Aust-Agder.

Kildegruppe

Tungolje 13. 6 ^+- 5.8 ppm

Kull 39.8 ^+- 10.0

..

Biltrafikk 66.9 ^+- 18. 4

.

Søppelforbrenning 95.7 ^+- 53.6

..

Kobber/nikkel industri 11. 2 ^+- 6. 1

.

4 KONKLUSJON

Hovedkomponent-analysen grupperer datamaterialet i en rekke faktorer som kan identifiseres som kilder og kildegrupper av ulike slag, f.eks.langtransporterte antropogene luftforurens- ninger, lokale industriutslipp, sjøsaltkomponenter og jord- komponenter. Tolkningen av resultatene vanskeliggjøres imidlertid av ulik retensjon av de kjemiske elemententene, idet faktor ladningene ikke gjenspeiler kildenes kjemiske

1 7

sammensetning. Faktor scores er meget nyttige og i tolkningen av disse resultatene.

uunnværelige

Langtransporterte

kadmium, antimon, arsen og selen forklarte 34.1 'l. av variansen i dette datamaterialet. Andre antropogene kilder med uslipp av blant annet nikkel og kobolt forklarte

Ulike typer jordstøv forklarte henholdsvis 13.6 'l. og 4.2 'l. av variansen, og sjøsalt 10.2 'l..

Manglende kvantitativ skjellige sporelementer,

i Aust-Agder.

5 REFERANSER

(1) Hanssen J.E.

Rambæk,J.P.

Semb, A.

Steinnes,E.

(2) Malinowski,E.R.

Howery,D.G.

(3) Steinnes,E.

(4) U.S. Environmental Protection Agency

(5) Schaug,J., Joranger,E.

og lokale

Resultatet og

forurensninger

informasjon til retensjonen av de for- andre

viste en

6.7

av bly, sink,

av variansen.

usikkerhetsmomenter

imidletrid utført en slik beregning på en prøve fra god

gjør datamaterialet lite egnet til kvantitative beregninger. Det er Birkeland sammenheng mellom prediktert og målte konsentrasjoner.

Atmospheric deposition of trace elements in Norway.

I: Proc. Int, Conf, on

ecological impact of acid precipitation. Sandefjord, Norway 1980. SNSF-project, s. 116-117.

Factor analysis in chemistry.

New York, John Wiley & Sons, 1980.

Privat meddelelse

Receptor model technical serie Volume II. Chemical Mass

Balance. Research Triangle Park, North Carolina, 1981

(EPA-450/4-81-016b).

Nedbør- og luftkvalitet ved norske bakgrunnstasjoner i 1976.

Lillestrøm 1978. (NILU TN 11/78.)

1 8

( 6 ) Kolets halsa- och miljo-effekter.

Slutrapport april 1983. Hovuddel.

Vallingby 1983.

(7) Pacyna,J. Trace element emission from antro- pogenic sources in Europe.

Lillestrøm 1983. (NILU TN 10/82.)

(8) Kowalczyk,G.S., Choquette,C.E., Gordon, G.E.

Chemical element balances identifi- cation of air pollution sources in Washington,D.C. Atmos. Environ, .1..2,,

1143-1153 (1980).

NORSK INSTITUTT FOR LUFTFORSKNING CNILUJ NORWEGIAN INSTITUTE FOR AIR RESEARCH

(NORGES TEKNISK-NATURVITENSKAPELIGE FORSKNINGSRÅD) POSTBOKS 130, 2001 LILLESTRØM (ELVEGT. 52), NORGE

RAPPORTTYPE RAPPORTNR. ISBN 82-7247-498-0 OPPDRAGSRAPPORT OR 30/84

DATO ANSV. SIGN. ANT. SIDER PRIS

SEPTEMBER 1984 B. OTTAR 18 kr 20.-

TITTEL PROSJEKTLEDER

Jan Schaug Reseptormodeller anvendt _{pa mose.}

.

NILU PROSJEKT NR.

0-8359

FORFATTER(E) TILGJENGELIGHET*

A

Jan Schaug

OPPDRAGSGIVERS REF.

OPPDRAGSGIVER (NAVN OG ADRESSE) Nordisk Ministerråd

3 STIKKORD

(a

maks. 20 anslag) Reseptormodell

I ^Bladmose

I

^Norge

REFERAT (maks. 300 anslag, 7 linjer l

Datamaterialet besto av 490 prøver (årsskudd) _av bladmose,

Hvl2c2mium so1eadeas

^{hvor 26} kjemiske elementer var bestemt med nøytronaktiveringsanalyse hovedsakelig. Datamaterialet ble under- søkt med hovedkomponent-analyse som viste at de viktigste kilder var langtransporterte luftforurensninger, lokale kilder, jordstøv og sjøsalt. Det ble foretatt et estimat av enkelte kilders

størrelse med en massebalanse beregning.

TITLE Receptor models applied on chemical data from mosses.

ABSTRACT (max. 300 characters, 7 lines)

The data consisted of the concentrations of 26 chemical elements determined in 490 samples of

Hvl2c2mium Spleadeas

collected in Norway. Two receptor models, the principal component model and the chemical mass balance model were applied on the data. Sources of errors and limitations were shortly discussed.

*Kategorier: Apen - kan bestilles fra NILU A Hå bestilles gjennom oppdragsgiver B

Kan ikke utleveres C